射頻濾波器允許不同的頻譜帶，并通過避免碰撞和控制智能手機中的數(shù)據(jù)流來改善用戶體驗。Resonant 的濾波器旨在提高 5G 數(shù)據(jù)速率和帶寬。

在接受 EE Times 采訪時，Resonant 董事長兼首席執(zhí)行官 George Holmes 和公司企業(yè)發(fā)展副總裁 Mike Eddy 解釋了他們的新 XBAR 諧振器技術如何經(jīng)過優(yōu)化以創(chuàng)建適用于 5G 和 WiFi 網(wǎng)絡的濾波器。Holmes 表示：“我們正在與多家 4G 和 5G 濾波器的射頻模塊和濾波器供應商合作，最近實現(xiàn)了一個重要的里程碑，這將導致關鍵 5G 射頻濾波器的大規(guī)模生產(chǎn)。”

4G LTE 網(wǎng)絡的普及、新 5G 網(wǎng)絡的部署以及 Wi-Fi 的普遍性導致智能手機和其他移動設備必須支持的射頻頻段數(shù)量急劇增加。射頻濾波器并不新鮮，沒有它們我們的智能手機將無法工作。第一代智能手機的濾波器少于 10 個，因為它們沒有很多射頻信號。今天——使用 Wi-Fi、藍牙、GPS 以及 2G、3G、4G 和現(xiàn)在的 5G——100 多個過濾器正試圖防止進入手機的信號相互沖突。

然而，5G 網(wǎng)絡還沒有為黃金時段做好準備。挑戰(zhàn)在于必須使用濾波器隔離每個 5G 頻段，以避免干擾會耗盡電池壽命、降低數(shù)據(jù)速率并導致掉線。今天，過濾器技術無法提供這些新網(wǎng)絡所承諾的性能。

“我們現(xiàn)在專注于 5G，因為要求與 4G 過濾器相比發(fā)生了巨大變化。如果你看一下 iPhone 11，就會發(fā)現(xiàn)有近 100 個聲波濾波器；在 iPhone 11 中，需要在手機內(nèi)處理的每個頻段都需要一個濾波器。當我們看到 5G、更高的頻率、更寬的帶寬和更復雜的情況時，很明顯市場需要一種不同類型的聲波構(gòu)建塊來用于這些濾波器。因此，我們開發(fā)了技術來應對 5G 和 Wi-Fi 頻段 5 GHz 和 6 GHz 以及 6 到 8 GHz 的超寬帶 (UWB) 的新市場，”Eddy 說。

射頻濾波器?

除了手機，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一組快速增長的連接設備，它們也使用射頻濾波器進行通信。在最簡單的層面上，RF 濾波器允許“好”信號能夠進入 PCB 軌道，而其他信號則被拒絕以避免干擾。“沒有射頻濾波器的幫助，您將無法在手機上播放視頻，甚至無法打電話或發(fā)短信，”Eddy 說。

圖 1：射頻濾波器市場。射頻前端 (FE) 從 15B 增長到 26B。射頻濾波器市場從 9B 增長到 15B（來源：Resonant）。點擊上面的圖片放大。

射頻濾波器還將允許在醫(yī)療環(huán)境中工作的手術機器人通過與操作中心進行遠程通信來徹底改變，消除任何可能被證明是災難性的速度或性能故障。射頻濾波器管理整個智能家居的控制，從開燈到啟動真空吸塵器，它們正在被整合到現(xiàn)代電動汽車中，幫助自動駕駛技術。

早期的手機使用插入損耗非常低的陶瓷單塊濾波器，但與今天的手機相比，這些手機基本上只需要較少的濾波器。陶瓷一體式過濾器由于尺寸大且成本高，現(xiàn)在在現(xiàn)代手機中受到限制。由于基于壓電效應的聲波諧振器的發(fā)展，現(xiàn)代手機射頻架構(gòu)和智能手機使用的爆炸式增長成為可能。

蜂窩無線電使用多個發(fā)射和接收鏈在多個頻帶中運行，每個鏈都有自己的一組放大器、開關和濾波器。每個信號鏈都依賴于一系列濾波器來消除不必要的干擾。幾乎所有這些濾波器都是壓電器件，使用光刻工藝制造以產(chǎn)生表面聲波 (SAW)、體聲波 (BAW) 或聲諧振器 (AR) 結(jié)構(gòu)。SAW 及其溫控同類產(chǎn)品因其低成本而受到青睞。然而，它們在較高頻率下的高信號損耗構(gòu)成了一個嚴重的問題，因為它很難在遠高于 2.5 GHz 的頻率下運行。

“我們意識到這些類型的聲學濾波器在高頻和帶寬方面存在困難。因此，我們提出了一種稱為 XBAR 的結(jié)構(gòu)，我們在單晶鈮酸鋰薄膜頂部使用金屬指狀物，在該壓電體中建立體聲波。這是一個非常不同的結(jié)構(gòu)，它看起來像一個表面聲波結(jié)構(gòu)，但它實際上是一個體聲波。它針對高頻、寬帶寬和高功率進行了完美優(yōu)化。抱歉，這是一個冗長的解釋，”埃迪說。

要設計濾波器，必須將多個諧振器耦合在一起以形成通帶。首先要考慮的參數(shù)是與聲波諧振器的關鍵參數(shù)相關的帶寬，即耦合系數(shù)。其他參數(shù)包括操作頻率、損耗和功率水平。低損耗最大限度地提高了信號效率，從而延長了電池壽命。所有這些參數(shù)都是材料、設計和制造過程的函數(shù)（圖 1 和圖 2）。

圖 2：這些聲波濾波器技術是使用光刻工藝制造的（來源：EDN）。

5G 射頻濾波器

XBAR 諧振器由一個單晶壓電層組成，頂部表面有一個金屬叉指換能器 (IDT)。金屬跡線在壓電層內(nèi)激發(fā)體聲波，主頻率和耦合特性由壓電的物理尺寸和特性決定。

XBAR 設備通過壓電材料的主體而不是沿其表面?zhèn)鞑バ盘枺虼嗽诟哳l和寬帶寬下提供低插入損耗，適用于 5G。“XBAR 是 Resonant 使用我們的設計軟件平臺 ISN 開發(fā)的 BAW 諧振器結(jié)構(gòu)。它采用標準 SAW 工藝制造，具有更高的本機工作頻率 (3-7 GHz) 和 4 倍更寬的工作帶寬，高達 24%，”Holmes 說。

他補充說：“我們使用數(shù)學模型來快速設計和模擬濾波器，特別是針對目標代工廠的能力，從而減少通過晶圓廠的轉(zhuǎn)數(shù)。這些模擬基于針對目標規(guī)范預期的數(shù)千種變化，從而產(chǎn)生更好的結(jié)果。因此，需要很少的工程師以更少的輪次完成相同的工作，從而使這一過程更具成本效益。”

5G 手機依靠高帶寬來獲得高數(shù)據(jù)速率，因此需要更大的頻譜部分。因此，5G 具有比 4G 更大且頻率更高的新頻譜分配，需要數(shù)百兆赫的頻譜和 3 GHz 以上的頻率——而不是 2 GHz 左右的數(shù)十兆赫頻譜。

Resonant 強調(diào) XBAR 非常適合 5G，隨著用戶的增長，干擾問題會出現(xiàn)，RF 濾波器將在優(yōu)化 5G 傳輸中發(fā)揮重要作用。“使用 XBAR 開發(fā)的濾波器具有最大化效率所需的功能，包括高達 1,200MHz 的帶寬、支持高于 3GHz 的頻率以及低損耗，”Eddy 說。此外，隨著 5G 的普及，利用現(xiàn)有工藝的低成本制造技術將成為所有射頻濾波器制造商的一個重要方面。